壓裂裂縫非線性斷裂的聲發(fā)射全波形多參量監(jiān)測

邢岳堃，黃炳香，陳大勇，趙興龍，李炳宏

(中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

壓裂是通過高壓流體破裂巖石并驅(qū)動裂縫擴(kuò)展的工藝方法，該方法目前已被廣泛應(yīng)用于油氣[1-3]、地?zé)醿覽4-6]的增滲改造以及井工礦圍巖控制與煤層增透抽采瓦斯[7-11]。有效監(jiān)測與控制壓裂裂縫的擴(kuò)展是保障油氣、地?zé)?、煤炭等地質(zhì)能源安全高效開采的重要基礎(chǔ)。

現(xiàn)有研究表明，在巖石類材料縫尖形成由大量微裂縫構(gòu)成的斷裂過程區(qū)是巖石斷裂的突出特征[12-17]，該特征不符合排布均勻原子依次斷開致使裂縫擴(kuò)展的線彈性假設(shè)[18]，使巖石斷裂呈現(xiàn)非線性。此外，深部地層高溫、高應(yīng)力、多相流體以及井工礦中的強(qiáng)擾動應(yīng)力會加劇巖石的非線性斷裂[6,19]。然而，現(xiàn)有壓裂理論主要以線彈性斷裂理論為主，致使壓裂設(shè)計(jì)的裂縫擴(kuò)展與真實(shí)地層中壓裂裂縫的擴(kuò)展行為相差較大[20]。2018年，美國在墨西哥灣Midland Basin東部的頁巖壓裂實(shí)驗(yàn)場內(nèi)，對壓裂后的儲層通過鉆斜井取心的方法觀測了壓裂裂縫形態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)真實(shí)水力裂縫呈復(fù)雜簇狀裂縫形態(tài)特征，不符合現(xiàn)有壓裂理論所假設(shè)的雙翼平面裂縫形態(tài)[20]。因此，亟需通過有效的監(jiān)測手段刻畫壓裂裂縫的非線性斷裂特征，進(jìn)而為現(xiàn)有壓裂理論的優(yōu)化提供支撐。當(dāng)巖石中形成不同尺度的裂縫時，會釋放不同頻率的彈性波，該彈性波即聲發(fā)射[21-23]，其頻率由低到高可分為地震、微震與地音等[23]。因此，聲發(fā)射監(jiān)測被廣泛應(yīng)用于刻畫巖石壓裂裂縫的擴(kuò)展，如現(xiàn)場壓裂的微地震監(jiān)測以及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)壓裂物理模擬試驗(yàn)的聲發(fā)射監(jiān)測[6,23]。

近年來，采用聲發(fā)射監(jiān)測方法刻畫水力裂縫擴(kuò)展的研究主要聚焦于統(tǒng)計(jì)水力裂縫擴(kuò)展過程中聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)與波形參數(shù)演化規(guī)律、聲發(fā)射源的空間分布特征以及聲發(fā)射震源的斷裂機(jī)制3個方面[24-35]，為揭示巖石壓裂裂縫的擴(kuò)展規(guī)律提供了重要參考。① 水力壓裂過程中聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)與波形參數(shù)演化規(guī)律的研究結(jié)果表明，聲發(fā)射撞擊計(jì)數(shù)、事件計(jì)數(shù)、累積能量、波形頻率帶寬的突然增加以及聲發(fā)射b值的急劇降低是水力裂縫面擴(kuò)展的顯著標(biāo)志[24-26]，聲發(fā)射信號的大量涌現(xiàn)往往比水力裂縫的失穩(wěn)擴(kuò)展提前0.2 s以上[27]；不同泵注條件下的聲發(fā)射波形幅度監(jiān)測結(jié)果證明了疲勞壓裂有利于降低壓裂誘發(fā)地震效應(yīng)[28-29]。② 水力壓裂聲發(fā)射源的空間分布特征表明，當(dāng)水力壓裂的泵注壓力達(dá)到破裂壓力后水力裂縫往往呈現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展[30]；壓裂試樣中聲發(fā)射事件的密度越高，該處損傷程度與滲透率越大[31-33]。③ 壓裂裂縫的聲發(fā)射震源機(jī)制監(jiān)測結(jié)果表明，通過提高注液速率向已形成的水力裂縫中泵注壓裂液以開展重復(fù)壓裂時，老縫面出現(xiàn)大量拉張信號并向外延伸構(gòu)成了重復(fù)壓裂裂縫擴(kuò)展的突出特征[34]，此外，巖石中油水飽和度的提升會加劇水力裂縫周圍的拉張型微破裂的形成[35]。

上述研究成果為加深人們對水力裂縫非線性擴(kuò)展的認(rèn)識具有重要的推動作用，然而現(xiàn)有研究仍存在兩方面的局限性：① 應(yīng)用廣泛的商業(yè)軟件以多領(lǐng)域通用性及節(jié)約計(jì)算成本為開發(fā)目標(biāo)，對波形分析有限，簡單截取過門檻時間作為定位基本參數(shù)，精度難滿足巖石斷裂研究需求。主流定位方法較少考慮巖石非線性斷裂特性，定位計(jì)算各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)性低致使精度與效率兼顧難，巖石斷裂微裂縫發(fā)育導(dǎo)致的波速動態(tài)衰減考慮少。② 現(xiàn)有刻畫壓裂裂縫擴(kuò)展的聲發(fā)射特征信息少，主要為特征參數(shù)隨時間的演化特征以及聲發(fā)射事件的空間分布特征，聲發(fā)射特征參數(shù)與壓裂裂縫非線性斷裂特征未有效融合。

針對上述壓裂裂縫聲發(fā)射監(jiān)測的局限性，筆者以聲發(fā)射刻畫壓裂裂縫非線性斷裂的物理機(jī)制為切入點(diǎn)，提出了壓裂裂縫非線性斷裂的聲發(fā)射全波形多參量監(jiān)測分析方法，瞄準(zhǔn)巖石非線性斷裂優(yōu)化了全波形分析流程及定位方法，確定了刻畫壓裂裂縫非線性斷裂的聲發(fā)射特征參數(shù)表征方法。進(jìn)而開展了聲發(fā)射監(jiān)測下的真三軸壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用聲發(fā)射全波形多參量分析方法刻畫了壓裂裂縫擴(kuò)展的非線性斷裂特征。

1 聲發(fā)射刻畫壓裂裂縫非線性斷裂特征的物理機(jī)制

在裂縫尖端形成由大量微裂縫構(gòu)成的斷裂過程區(qū)已被證實(shí)是巖石類材料斷裂的突出特點(diǎn)[12-17]。而對于壓裂裂縫擴(kuò)展，當(dāng)斷裂過程區(qū)完全發(fā)育后，宏觀裂縫面在斷裂過程區(qū)內(nèi)形成，殘留的斷裂過程區(qū)構(gòu)成了水力裂縫面兩側(cè)的微裂縫帶[6,19](圖1)。由于斷裂過程區(qū)及其形成宏觀裂縫面后演變成的水力微裂縫帶具有拉張軟化的力學(xué)特性[12,36-37]，儲層巖石斷裂過程區(qū)及宏觀裂縫面兩側(cè)微裂縫帶的發(fā)育使壓裂裂縫的斷裂呈現(xiàn)非線性。因此，確定壓裂裂縫非線性斷裂特性的重點(diǎn)為刻畫斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶的破裂特征。

目前，表征巖石非線性斷裂特性的斷裂模型主要分為2類：第1類以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，在縫尖線彈性應(yīng)力場解析解的基礎(chǔ)上引入屈服準(zhǔn)則確定塑性區(qū)范圍，將塑性區(qū)視為斷裂過程區(qū)[38]；第2類將斷裂過程區(qū)視為分布著黏聚力(使裂縫閉合)的黏聚裂縫模型，即黏聚裂縫模型，其代表為Dagdle-Barablant模型[36-37]，其中單位長度裂縫的黏聚力達(dá)到臨界值后會隨著裂縫張開位移的增加而減小，直至黏聚力消失時單位長度真實(shí)裂縫面形成。上述2類模型對刻畫壓裂裂縫非線性斷裂特性具有極大推動作用。然而，上述非線性模型實(shí)質(zhì)為斷裂過程區(qū)的等效裂縫模型，難以直接刻畫縫尖微裂縫區(qū)及宏觀裂縫兩側(cè)微裂縫帶的微破裂與局部響應(yīng)特征，刻畫壓裂裂縫非線性斷裂目前缺少有效模型，進(jìn)而缺乏表征壓裂裂縫非線性斷裂特性的合理參數(shù)，因此，需要有效的監(jiān)測分析方法刻畫壓裂裂縫非線性斷裂特性，支撐理論的建立。

微裂縫的形成會釋放彈性波，即聲發(fā)射，不同微破裂特性會導(dǎo)致聲發(fā)射波形呈現(xiàn)差異性[21-23]，因此，巖石斷裂釋放的聲發(fā)射記錄了巖石縫尖微裂縫萌生、融合并形成宏觀裂縫面的過程及演化特性。該物理機(jī)制為采用聲發(fā)射有效刻畫巖石非線性斷裂創(chuàng)造了條件，通過對壓裂過程中的聲發(fā)射進(jìn)行震源反演并細(xì)致分析聲發(fā)射源的特征參數(shù)空間分布，有助于刻畫壓裂裂縫的非線性斷裂特征。隨著聲發(fā)射與巖石力學(xué)融合程度的提高、定位準(zhǔn)確性的提升以及聲發(fā)射特征參量表征巖石斷裂(壓裂)定量化程度的增強(qiáng)，聲發(fā)射刻畫巖石斷裂及壓裂的精細(xì)化程度有望不斷提升。

本研究瞄準(zhǔn)壓裂裂縫非線性斷裂的根源—縫尖斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶，聚焦微破裂與局部響應(yīng)特征，表征壓裂裂縫非線性斷裂的特征參量應(yīng)包括：水力微裂縫區(qū)(縫尖斷裂過程區(qū)與宏觀壓裂裂縫兩側(cè)水力微裂縫帶的統(tǒng)稱)尺寸、水力微裂縫區(qū)內(nèi)的能量耗散分布特征、水力微裂縫區(qū)內(nèi)微破裂周圍損傷評價(jià)、水力微裂縫區(qū)內(nèi)微破裂尺寸演化特征以及水力微裂縫區(qū)內(nèi)微破裂斷裂機(jī)制。上述特征參量與壓裂裂縫的擴(kuò)展規(guī)律、儲層改造效果以及聲發(fā)射特征參量的相關(guān)性[6,13-15,19]，見表1。

2 刻畫巖石非線性斷裂的全波形多參量分析方法

壓裂裂縫非線性斷裂聲發(fā)射全波形多參量監(jiān)測分析方法的邏輯遞進(jìn)關(guān)系如框圖2所示，該方法聚焦兩方面進(jìn)行突破：① 優(yōu)化全波形分析并提升定位效果；② 豐富壓裂裂縫非線性斷裂特性的表征參量。

表1 壓裂裂縫非線性斷裂特征

圖2 聲發(fā)射全波形多參量分析方法Fig.2 Full-waveform and multi-parameter analysis method of acoustic emission

(1)優(yōu)化全波形分析并提升定位效果。在傳感器坐標(biāo)確定的情況下，聲發(fā)射定位需分析原始波形，而不是簡單地截取過門檻時間作為定位的全部參數(shù)，并需要優(yōu)化分析流程，總體包括如下3個方面：① 開展三點(diǎn)彎斷裂聲發(fā)射監(jiān)測試驗(yàn)分析巖石斷裂信號特征，進(jìn)而確定合理的信號采集參數(shù)并過濾干擾信號(噪聲、多波形疊加等)；② 在獲取優(yōu)質(zhì)原始波形基礎(chǔ)上，根據(jù)波形過門限時間拾取對應(yīng)于同一震源的一組聲發(fā)射事件，僅在每個撞擊波形頭部拾取起振時間，實(shí)現(xiàn)效率和精度的同步提升；③ 瞄準(zhǔn)巖石類材料斷裂時微裂縫大量發(fā)育而使波速衰減的突出特性，考慮巖石變形對波速的改變，將動波速與無約束優(yōu)化算法相結(jié)合求解震源位置，提升定位精度與速度。

(2)豐富壓裂裂縫非線性斷裂特性的表征參量。在聲發(fā)射源定位精度得以保障的基礎(chǔ)上，可通過聲發(fā)射特征參數(shù)的空間分布特征，全面刻畫壓裂裂縫的非線性斷裂特性，總體包括如下4個方面：① 通過聲發(fā)射能量刻畫水力微裂縫區(qū)耗散能與斷裂能；② 通過聲發(fā)射波速刻畫震源周圍損傷程度；③ 通過聲發(fā)射頻率評估微破裂尺寸；④ 通過聲發(fā)射震源機(jī)制表征水力微裂縫區(qū)內(nèi)的拉張、剪切及壓縮(塌陷)斷裂機(jī)制。

針對上述2個方面，自主開發(fā)了Rock-AE 1.0聲發(fā)射分析程序(圖3)，圖2中所述每個步驟的創(chuàng)新處理方法及優(yōu)勢詳述如下。

圖3 Rock-AE 1.0聲發(fā)射分析軟件參數(shù)輸入界面Fig.3 Parameter input interface of the AE analysis program(Rock-AE 1.0)

2.1 基于全波形分析的聲發(fā)射定位方法

基于全波形分析的聲發(fā)射定位方法主要流程如圖4所示，每個步驟的創(chuàng)新處理方法及優(yōu)勢如下。

圖4 基于全波形分析的聲發(fā)射定位方法流程Fig.4 Flow chart of acoustic emission positioning method based on original waveform analysis

2.1.1在原始數(shù)據(jù)中拾取優(yōu)質(zhì)波形

在開展壓裂聲發(fā)射監(jiān)測物理模擬試驗(yàn)前，先對試驗(yàn)材料開展聲發(fā)射監(jiān)測下的三點(diǎn)彎斷裂試驗(yàn)，得到該材料斷裂過程中所釋放彈性波的完整波形。通過分析上述波形特征，一方面可優(yōu)化壓裂試驗(yàn)的聲發(fā)射波形采集參數(shù)(峰值鑒別時間、撞擊鑒別時間以及門限等)，提升信號采集質(zhì)量，避免采集的一個波形包含多個撞擊信號；另一方面可根據(jù)試樣破裂的信號形態(tài)特征，編寫壓裂試驗(yàn)過程中高信噪比優(yōu)質(zhì)破裂信號(圖5)的選取程序，丟棄長持續(xù)時間的噪音信號以及多個撞擊疊加在一起的信號。上述原始波形采集與處理可為提高后續(xù)定位精度提供優(yōu)質(zhì)波形，同時避免了對劣質(zhì)信號的無效計(jì)算，在信號采集源頭上促進(jìn)定位精度和計(jì)算效率提升。

圖5 對應(yīng)于巖石斷裂的優(yōu)質(zhì)波形及波形參數(shù)Fig.5 High-quality waveforms corresponding to rock fractures and the waveform parameters

2.1.2波形同步與波形起振時間計(jì)算

本環(huán)節(jié)的主要創(chuàng)新是信號處理流程及方法的優(yōu)化，以進(jìn)一步提升精度，避免無效計(jì)算，具體如下：拾取對應(yīng)同一個破裂事件的一組同步波形(一組波形中的單個信號為撞擊)是定位的基礎(chǔ)，上述一組同步波形即聲發(fā)射事件(圖6)。任選2個傳感器，震源信號縱波傳遞至2個傳感器的時差一定不高于縱波在2個傳感器間的傳播時間，即符合三角形兩邊之差小于第3邊的基本法則。利用上述判別準(zhǔn)則可根據(jù)波形過門限的時間將復(fù)雜的原始波形劃歸為一組組同步波形(聲發(fā)射事件)。為滿足定位需求，舍棄一組波形不足4個撞擊(本研究為不足5個)的事件，進(jìn)一步濾掉了無效波形，節(jié)約了后續(xù)計(jì)算時間。本研究經(jīng)大量實(shí)踐選用經(jīng)典的AIC算法[39]作為拾取起振時間或波形到達(dá)時間的有效方法，該算法實(shí)質(zhì)為對時域波形中每個數(shù)據(jù)點(diǎn)前后數(shù)據(jù)方差對數(shù)值求和，得到的結(jié)果為AIC值，AIC的最小值對應(yīng)的時間可確定為起振時間(圖7)。因AIC算法為信號處理的經(jīng)典算法，本文不展開論述。

圖6 聲發(fā)射事件所對應(yīng)的一組撞擊波形Fig.6 A set of AE hit waveforms corresponding to an AE event

圖7 AIC算法拾取起振點(diǎn)示意(根據(jù)文獻(xiàn)[23]修改)Fig.7 Plot of picking up onset point with AIC algorithm (Replotted based on the Reference[23])

本文需特別指出的是，采用AIC拾取到時在實(shí)際應(yīng)用中存在2個局限性：① AIC計(jì)算是震源定位過程中的主要耗時環(huán)節(jié)之一，例如一個撞擊波形有n個數(shù)據(jù)點(diǎn)，該波形的AIC計(jì)算原則上需進(jìn)行(n-2)次，若對采集的全部波形進(jìn)行起振時間拾取計(jì)算，計(jì)算量相當(dāng)龐大。因此，現(xiàn)有大多數(shù)聲發(fā)射分析商業(yè)軟件，僅把過波形中幅值初次超高門限的時間作為起振時間，如圖7所示，以提高計(jì)算效率，但所造成的后果為起振時間選取不準(zhǔn)，極大提升了后續(xù)定位的誤差。以圖7為例，若采樣頻率為5 000 kHz(2個數(shù)據(jù)點(diǎn)相隔0.2 μs)、波速為3 km/s且起振點(diǎn)與過門限點(diǎn)之間相差m個數(shù)據(jù)點(diǎn)，則會引入0.6mmm的誤差。② 在采用AIC算法拾取到時的條件下，若因信噪比低或多波形疊加導(dǎo)致原始信號質(zhì)量低，則會造成起振時間拾取有誤，同樣會加劇誤差。本文所采用的數(shù)據(jù)處理方法通過兩方面的改進(jìn)可克服上述2個局限性：① 在原始數(shù)據(jù)中拾取優(yōu)質(zhì)波形的處理方法一方面為AIC到時拾取提供了高質(zhì)量源數(shù)據(jù)，有利于避免劣質(zhì)信號干擾并提升到時拾取精度，另一方面可根據(jù)斷裂試驗(yàn)確定的聲發(fā)射信號特征選定單個波形的AIC計(jì)算區(qū)域，僅需在信號峰前頭部計(jì)算，大大降低了計(jì)算量，提升了計(jì)算效率；② 先進(jìn)行波形同步然后開展到時拾取的計(jì)算流程，可避免對無效波形的到時拾取計(jì)算，進(jìn)一步提升計(jì)算效率。

2.1.3無約束優(yōu)化算法與動態(tài)波速相結(jié)合的定位方法

震源定位的基本原理如式(1)所示，實(shí)質(zhì)為求解非線性方程組[23]，本文先構(gòu)造非線性方程組的權(quán)函數(shù)并采用無約束優(yōu)化算法進(jìn)行求解，如選用Newton-Raphson及Levenberg-Marquardt算法，該方法相較于傳統(tǒng)的Geiger等傳統(tǒng)定位算法[23,40]，可避免傳統(tǒng)定位算法因矩陣不可逆導(dǎo)致的計(jì)算失效，進(jìn)而提升聲發(fā)射事件定位(即震源反演)的數(shù)量，同時具有收斂速度快的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而提升了聲發(fā)射定位的效果。

(1)

其中，F(xiàn)(X)為非線性方程組；fi(Xm)為非線性方程組中的每個方程；m用于區(qū)分不同的待求解物理量，m=1,2,3,4,5；n與下標(biāo)i分別為聲發(fā)射事件所對應(yīng)一組波形的波形總數(shù)及序列，i=1,2，3，…，n(n≥5)；(xi,yi,zi)為采集到單個撞擊波形的傳感器空間坐標(biāo)；ti為傳感器采集到的單個撞擊波形到時；X1，X2，X3，X4，X5分別為震源的x坐標(biāo)值(m)、y坐標(biāo)值(m)、z坐標(biāo)值(m)、發(fā)生時間t(s)及波速v(m/s)。采用無約束優(yōu)化算法求解式(1)所示方程組，可構(gòu)造如式(2)所示的權(quán)函數(shù)φ(X)，并求使φ(X)達(dá)到最小值且使F(X)趨近于0的特解X*作為方程組的解。

(2)

鑒于前文所述的壓裂裂縫斷裂形成斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶的非線性斷裂特征，在壓裂過程中，因巖石類材料形成微裂縫會阻礙彈性波的傳播，造成波速衰減，尤其是震源趨近于微裂縫區(qū)的中心位置時，波速衰減將更為明顯(而對于壓實(shí)且未破裂區(qū)域可推斷波速會升高)。因此，在本文所述的聲發(fā)射定位中，將波速視為未知量求解(聲發(fā)射事件對應(yīng)的一組波形數(shù)目應(yīng)不少于5個)，使波速成為壓裂過程中聲發(fā)射的特征動態(tài)參量，以刻畫壓裂裂縫擴(kuò)展過程中斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶的演化規(guī)律。

2.1.4定位方法有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述基于全波形的聲發(fā)射分析方法的有效性，在前期優(yōu)化聲發(fā)射分析程序階段采用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)、光纖光柵(FBG)以及聲發(fā)射3種手段相結(jié)合的監(jiān)測方法，監(jiān)測了砂巖三點(diǎn)彎試樣Ⅰ型裂縫擴(kuò)展[15]，在載荷達(dá)到峰值時，斷裂過程區(qū)完全發(fā)育且宏觀裂縫面尚未形成，3種方法所刻畫的完全發(fā)育的斷裂過程區(qū)如圖8所示。聲發(fā)射事件明顯地分布于縫尖前端并呈條帶狀，該條帶狀聲發(fā)射事件集中區(qū)為宏觀裂縫形成前的斷裂過程區(qū)，其長度為20 mm。而數(shù)字圖像相關(guān)方法與FBG方法通過縫尖位移不連續(xù)性確定的斷裂過程區(qū)長度也均為20 mm，與聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果一致，證明了本文所述聲發(fā)射定位方法應(yīng)用于巖石斷裂的有效性。需補(bǔ)充說明的是，圖8中DIC和FBG所示的“裂縫狀”輪廓表征斷裂過程區(qū)內(nèi)的顯著變形，并不是宏觀裂縫，詳述如下：DIC方法與FBG方法均利用橫截裂縫延伸方向的位移不連續(xù)特性識別斷裂過程區(qū)，因完全發(fā)育的斷裂過程區(qū)具有顯著的拉張軟化特性，致使過程區(qū)內(nèi)變形最劇烈位置的兩側(cè)呈位移不連續(xù)性，因此在橫截裂縫擴(kuò)展方向的DIC位移云圖中，斷裂過程區(qū)呈線狀，代表水平位移不連續(xù)區(qū)的顯著分界線，而在FBG刻畫的裂縫延伸方向張開度輪廓圖中，拉張軟化的斷裂過程區(qū)呈裂縫狀。因此，圖8中DIC與FBG監(jiān)測結(jié)果主要刻畫了斷裂過程區(qū)內(nèi)的顯著變形特性，可用于識別過程區(qū)長度，進(jìn)而與聲發(fā)射刻畫的斷裂過程區(qū)長度做對比，以驗(yàn)證本文所采用聲發(fā)射監(jiān)測方法的有效性。由于本文主要探討全波形聲發(fā)射監(jiān)測方法，因此DIC與FBG監(jiān)測斷裂過程區(qū)的方法不詳細(xì)展開論述(可參閱前期研究成果[14-15])。

圖8 采用數(shù)字圖像相關(guān)方法、光纖光柵方法以及聲發(fā)射方法識別的斷裂過程區(qū)尺寸(根據(jù)文獻(xiàn)[15]修改)Fig.8 Identification of FPZ with three approaches:Digital image correlation,fiber Bragg grating, and acoustic emission(Replotted based on Reference[15])

在此基礎(chǔ)上，前期為研究高溫對花崗巖壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律的作用機(jī)制，本文所提出的全波形多參量聲發(fā)射分析方法作為關(guān)鍵研究手段，支撐了不同溫度(20 ℃與120 ℃)花崗巖(300 mm×300 mm×300 mm)真三軸壓裂物理模擬試驗(yàn)研究，刻畫了不同溫度及應(yīng)力條件下的水力裂縫擴(kuò)展特征，如圖9所示，聲發(fā)射事件的空間展布與裂縫形態(tài)具有明顯的一致性，表明本文所述聲發(fā)射分析方法可適用于壓裂物理模擬試驗(yàn)。

需特別指出，前期研究聚焦巖石斷裂模型及壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律[6,13-15]，而本文聚焦支撐前期裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究、已被前期試驗(yàn)驗(yàn)證且未公開發(fā)表的試驗(yàn)監(jiān)測分析手段——巖石壓裂及斷裂的聲發(fā)射全波形多參量監(jiān)測分析方法。

2.2 聲發(fā)射特征參數(shù)與非線性斷裂特征的相關(guān)關(guān)系

當(dāng)聲發(fā)射源確定后，可以確定聲發(fā)射事件波形參數(shù)及波速的空間分布特征，可用于全面地刻畫壓裂裂縫的非線性斷裂特征。其中，聲發(fā)射能量、聲發(fā)射事件波速、聲發(fā)射頻率及震源機(jī)制是與巖石非線性斷裂直接相關(guān)的特征參數(shù)，詳述如下。

圖9 不同溫度與圍壓條件下的壓裂聲發(fā)射事件空間分布(根據(jù)文獻(xiàn)[6]修改)Fig.9 AE events distribution of the hydraulic fracture under different temperatures and confining pressures (Replotted based on Reference[6])

2.2.1聲發(fā)射能量——耗散能與斷裂能的表征參量

聲發(fā)射能量是撞擊波形超過門限部分的積分面積(圖5)，且聲發(fā)射能量是與巖石非線性斷裂相關(guān)關(guān)系最密切的參量[6,13,15,41-42]。在巖石斷裂過程區(qū)發(fā)育過程中，微裂縫的形成具有能量耗散，當(dāng)斷裂過程區(qū)完全發(fā)育后，單位長度斷裂過程區(qū)的耗散能達(dá)到臨界值時，真實(shí)裂縫面形成，其中耗散能的臨界值即斷裂能?，F(xiàn)有研究表明，聲發(fā)射能量是巖石非線性斷裂過程中能量耗散的一部分，聲發(fā)射累積能量與巖石斷裂能大致成正比[15,41-42]。因此，聲發(fā)射能量是表征壓裂裂縫擴(kuò)展過程中耗散能與斷裂能的參量，進(jìn)而巖石斷裂過程中的聲發(fā)射能量時空演化特征可支撐非線性斷裂模型的建立。筆者所分析的聲發(fā)射能量均為可定位的聲發(fā)射事件能量，但因不同聲發(fā)射事件所包含的撞擊波形數(shù)目不等，且聲發(fā)射源到不同傳感器距離的差異會對信號造成程度不等的衰減，因此，不能簡單的將一組波形的能量求和或求平均值作為聲發(fā)射能量。

筆者以聲發(fā)射事件源到不同傳感器的距離為加權(quán)量，通過式(3)將聲發(fā)射能量的加權(quán)平均值作為聲發(fā)射事件的能量。

(3)

2.2.2聲發(fā)射波速——震源周圍損傷程度的表征參量

在巖石力學(xué)中波速可用于表征巖石動態(tài)彈性參數(shù)，而波速的減小與增大則可表征巖石的損傷及壓實(shí)[43]。如前文所述，本研究將在定位過程中反演巖石斷裂過程中的動態(tài)波速(縱波)，波速越低則表明震源距離微裂縫區(qū)中心越近且其周圍微裂縫區(qū)損傷程度越高。因此，聲發(fā)射波速是刻畫壓裂裂縫斷裂過程區(qū)及水力微裂縫帶中震源周圍損傷程度的特征參量。

2.2.3聲發(fā)射頻率——破裂尺寸表征參量

現(xiàn)有研究表明，形成較大尺寸裂縫，如多個微裂縫融合為一條更大尺寸裂縫，往往釋放較低頻率的彈性波，致使巖石破裂尺寸與聲發(fā)射頻率大致呈反比的關(guān)系[44]，因此聲發(fā)射頻率的空間演化可用于刻畫壓裂裂縫斷裂過程區(qū)及水力微裂縫帶中微裂縫的萌生及融合規(guī)律。本文所采用的頻率為平均頻率(圖5)，即振鈴計(jì)數(shù)(波形中超過門限的峰值數(shù))與持續(xù)時間的比值。

2.2.4聲發(fā)射震源機(jī)制——拉張-剪切-壓縮(塌陷)斷裂機(jī)制與增滲效果表征參量

聲發(fā)射的震源機(jī)制主要用于識別巖石微破裂的斷裂機(jī)制，包括拉張型、剪切型與壓縮(塌陷)型3類。通過震源機(jī)制分析可以刻畫壓裂裂縫斷裂過程區(qū)及水力微裂縫帶內(nèi)的微破裂機(jī)制，具有2方面的意義：① 通過統(tǒng)計(jì)壓裂不同階段的拉張、剪切及壓縮(塌陷)微破裂信號所占比例，可定量研究壓裂裂縫非線性斷裂的微破裂演化規(guī)律[6,45-49]；② 剪切型裂縫在縫內(nèi)壓裂液流出后依舊可以在地應(yīng)力作用下保持張開，因此壓裂裂縫水力微裂縫帶中剪切型微裂縫的比例是評價(jià)儲層壓裂增滲有效性的重要指標(biāo)[6,50-52]。

現(xiàn)有研究表明，初動極性方法[47-49]和矩張量[23,45-46]分析方法確定的斷裂機(jī)制基本一致[53]，但初動極性識別方法具有計(jì)算簡單且計(jì)算快的優(yōu)點(diǎn)，因此本研究采用縱波的初動極性(圖5)判別方法用于識別微裂縫(聲發(fā)射源)的斷裂機(jī)制。如果大多數(shù)聲發(fā)射傳感器接收到的聲發(fā)射波形初動極性為壓縮(負(fù)極性)或膨脹(正極性)型，則該聲發(fā)射事件表征拉伸或壓縮(塌陷)型微裂縫信號源(微裂縫源)，而其他形式的聲發(fā)射事件均產(chǎn)生于剪切源(微裂縫源)。微裂縫的斷裂機(jī)制可通過聲發(fā)射事件的極性值(pol)進(jìn)行判別：

(4)

其中，pol為聲發(fā)射事件的極性值，無因次；Api為單個聲發(fā)射波形的初動幅值，V。pol可用于判別聲發(fā)射事件的斷裂機(jī)制：-0.25≤pol≤0.25表征剪切源，-1≤pol<-0.25表征拉伸源，0.25

3 壓裂物理模擬的聲發(fā)射監(jiān)測試驗(yàn)

筆者開展了聲發(fā)射監(jiān)測下的室內(nèi)真三軸壓裂物理模擬試驗(yàn)，本部分將以壓裂物理模擬試驗(yàn)為例，詳細(xì)呈現(xiàn)本文所述的聲發(fā)射全波形多參量監(jiān)測對巖石壓裂裂縫非線性斷裂特征的刻畫方法。

3.1 試樣準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

筆者將四川白砂巖作為實(shí)驗(yàn)材料，其單軸抗壓強(qiáng)度45.1 MPa、抗拉強(qiáng)度3.0 MPa、彈性模量4.9 GPa、泊松比0.2。如圖10所示，試樣被加工為120 mm×120 mm×120 mm的立方體，用于施加真三軸應(yīng)力。自試樣上表面中心處，垂直試樣表面鉆取直徑為10 mm且深度為60 mm的井筒，并用環(huán)氧植筋膠將耐高壓管線澆筑于井筒中，預(yù)留約5 mm的裸眼段，且使出液口位于裸眼段內(nèi)，用于泵注壓裂液。

圖10 壓裂試樣照片F(xiàn)ig.10 Photos of the fracturing specimen

采用如圖11所示自主研發(fā)的真三軸壓裂物理模擬試驗(yàn)平臺對試樣施加真三軸圍壓，其中壓頭加壓面可選用100 mm×100 mm,150 mm×150 mm以及200 mm×200 mm等多個尺寸。在本研究中，選用的壓頭尺寸為100 mm×100 mm，加壓面邊長比正方體試樣邊長短20 mm，使立方體試樣四周有空間粘貼微型聲發(fā)射傳感器(直徑8 mm)。傳感器的空間坐標(biāo)見表2，使壓裂裂縫在傳感器所覆蓋的空間內(nèi)擴(kuò)展。

圖11 帶有聲發(fā)射監(jiān)測的壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺Fig.11 Physical simulation platform of fracturing with AE monitoring

表2 聲發(fā)射傳感器空間坐標(biāo)

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如下，首先對圖10所示試樣的σ1，σ2及σ3三個方向分別施加10，8與4 MPa的圍壓，其中σ3方向與井筒平行，因而壓裂裂縫將垂直于σ3方向擴(kuò)展，即形成徑向壓裂裂縫；在圍壓施加至設(shè)計(jì)值時，通過液壓伺服泵注系統(tǒng)，以10 mL/min的速率泵注添加紅色染色劑的清水，開展壓裂物理模擬試驗(yàn)，并實(shí)時記錄泵注壓力曲線。

采用8通道聲發(fā)射采集系統(tǒng)，對壓裂全過程進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測。在壓裂試驗(yàn)開始前，首先開展三點(diǎn)彎斷裂試驗(yàn)并分析試樣斷裂所對應(yīng)波形的特征，以此為依據(jù)確定表3中的采集參數(shù)，并采用美國物理聲學(xué)公司(PAC)的聲發(fā)射采集裝備采集波形。試驗(yàn)后，將原始波形導(dǎo)出，分別采用自主開發(fā)的聲發(fā)射分析程序以及PAC系統(tǒng)自帶的定位程序進(jìn)行聲發(fā)射定位，所采用的計(jì)算參數(shù)為表2中的傳感器坐標(biāo)以及表3中的部分采樣參數(shù)。其中，PAC系統(tǒng)定位需要指定波速，即波速為固定值，不考慮巖石破裂過程中的波速動態(tài)變化；而自主開發(fā)的聲發(fā)射分析程序考慮波速動態(tài)變化，波速為反演參量，初始波速僅為計(jì)算初值。

表3 聲發(fā)射信號采集及定位相關(guān)參數(shù)

3.3 壓裂縫幾何形態(tài)與聲發(fā)射定位結(jié)果

采用上文所述的試驗(yàn)步驟開展聲發(fā)射監(jiān)測下的壓裂物理模擬試驗(yàn)，最終的壓裂裂縫形態(tài)如圖12所示，呈大致垂直于最小主應(yīng)力方向的彎曲單一縫面。采用自主開發(fā)的Rock-AE 1.0聲發(fā)射分析程序得到的初步定位結(jié)果如圖12所示，共計(jì)1 156個數(shù)據(jù)點(diǎn)且殘差轉(zhuǎn)化為距離單位均小于1 mm，聲發(fā)射事件聚集區(qū)與壓裂縫面基本一致。但聲發(fā)射事件的聚集區(qū)并非在壓裂縫面均勻分布，具有密集區(qū)與稀疏區(qū)，該分布特征與壓裂裂縫的非等向擴(kuò)展及失穩(wěn)擴(kuò)展行為有關(guān)，將在4.1節(jié)進(jìn)行討論。

圖12 壓裂裂縫幾何形態(tài)及聲發(fā)射定位結(jié)果Fig.12 Fracture geometries and AE location results

將自主開發(fā)程序得到的定位結(jié)果與美國物理聲學(xué)公司(PAC)的定位結(jié)果(共計(jì)995個且殘差未知)對比，可發(fā)現(xiàn)相比于PAC程序定位結(jié)果，自主開發(fā)定位程序所得到的聲發(fā)射事件空間分布與裂縫形態(tài)更為相符，且聲發(fā)射事件集中于縫面及其兩側(cè)，空間分布的離散性降低，以圖12所示的σ1-σ3空間定位結(jié)果為例，自主開發(fā)程序所得聲發(fā)射事件條帶的寬度約為PAC系統(tǒng)定位結(jié)果的0.3倍。需特別指出的是，定位僅僅是本文刻畫壓裂裂縫擴(kuò)展的最基本信息，即自主開發(fā)聲發(fā)射分析程序最基本的功能，在第5章將通過聲發(fā)射特征參數(shù)的空間演化細(xì)致分析壓裂裂縫的非線性斷裂特征。

4 基于聲發(fā)射特征參數(shù)空間演化的壓裂裂縫非線性斷裂特征

4.1 聲發(fā)射能量——裂縫擴(kuò)展的能量耗散演化特征

4.1.1壓裂過程中聲發(fā)射能量的空間演化特征

首先采用泵注壓力曲線與聲發(fā)射累積能量曲線聯(lián)合分析的方法刻畫壓裂裂縫擴(kuò)展(圖13)，該方法主要用于將聲發(fā)射能量空間演化與裂縫擴(kuò)展泵注水壓力演化相對應(yīng)，以便于通過聲發(fā)射能量的空間演化特征分別刻畫泵注水壓力峰值前的斷裂過程區(qū)發(fā)育與泵注水壓力峰值后的宏觀縫面擴(kuò)展(宏觀裂縫面兩側(cè)為水力微裂縫帶)。

如圖13所示，自1 000 s開始泵注的壓裂液填滿管路與井筒，泵注水壓力開始升高，至達(dá)到應(yīng)力峰值并快速下降至E點(diǎn)，觀測到壓裂液在試樣中流出，表明裂縫已擴(kuò)展至試樣邊界。自泵注水壓力達(dá)到A點(diǎn)(峰前67%峰值應(yīng)力)，聲發(fā)射累積能量開始顯著升高，并大致在B點(diǎn)(峰前90%峰值應(yīng)力)與C點(diǎn)(峰前95%峰值應(yīng)力)加速增長，A點(diǎn)與D點(diǎn)(峰前99%峰值應(yīng)力，可視為峰值點(diǎn))間的聲發(fā)射能量是起裂階段形成的；當(dāng)泵注壓力達(dá)到峰值應(yīng)力后呈現(xiàn)急劇降低的特征，表明宏觀裂縫形成與失穩(wěn)擴(kuò)展，因此D點(diǎn)與E點(diǎn)間的聲發(fā)射能量可推斷源于宏觀壓裂裂縫的形成。因此，基于圖13，將水力裂縫擴(kuò)展的全過程劃分為A—B，B—C，C—D與D—E四個階段，分別進(jìn)行聲發(fā)射能量的空間演化特征分析，初步結(jié)果如圖14所示。

圖13 泵注壓力與聲發(fā)射累積能量演化曲線Fig.13 Evolution of pumping pressure and AE accumulated energy

在圖14中，使聲發(fā)射事件點(diǎn)的尺寸與聲發(fā)射能量呈正比，以提升對聲發(fā)射能量聚集區(qū)的識別效果，通過圖14可初步確定壓裂裂縫擴(kuò)展過程中的能量耗散特征。在圖13與圖14中的A—B起裂階段，聲發(fā)射能量僅在注液口處周圍聚集，表明注液口周圍開始形成微裂縫并產(chǎn)生能量耗散，該能量耗散集中區(qū)可視為初始斷裂過程區(qū)，因此可推斷注液口周圍的巖石在圖13中A點(diǎn)以后的泵注階段將不服從線彈性力學(xué)行為，并呈現(xiàn)以斷裂過程區(qū)發(fā)育為主的非線性斷裂特征。圖14所示的B—C與C—D階段，聲發(fā)射能量集中區(qū)先等向擴(kuò)大，之后單側(cè)延伸呈條帶狀(在σ1-σ3平面尤為明顯)。

圖14 壓裂裂縫擴(kuò)展的聲發(fā)射能量三維空間演化Fig.14 Three-dimensional evolution of AE energy during HF propagation

圖15 垂直于第二主應(yīng)力(σ2)方向剖分試樣示意Fig.15 Diagram of specimen division in the direction perpendicular to the second principal stress(σ2)

為了更為精確地刻畫壓裂裂縫擴(kuò)展的能量耗散空間分布特征，在圖13所示的泵注壓力曲線峰前A—D階段，按照圖15所示方式垂直于第二主應(yīng)力方向以40 mm的間距將條帶狀聲發(fā)射能量聚集區(qū)剖分為3個部分，并分別得到每部分聲發(fā)射能量在σ1-σ3平面上的分布，如圖16所示。圖16表明，壓裂裂縫的能量耗散主要聚集在剖切體2內(nèi)，呈明顯的條帶狀，表明壓裂裂縫的斷裂過程區(qū)主要在剖切體2內(nèi)發(fā)育，進(jìn)而可進(jìn)一步推斷在泵注壓力峰后階段斷裂過程區(qū)將作為優(yōu)勢延伸路徑形成宏觀裂縫面并演變?yōu)楹暧^縫面兩側(cè)的水力微裂縫帶。因此，后文將著重分析剖切體2中的聲發(fā)射特征參數(shù)，以更為清晰地刻畫壓裂過程中聲發(fā)射特征參數(shù)的空間演化特征。

4.1.2斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶內(nèi)的能量耗散特性

本部分聚焦圖16中剖切體2中的聲發(fā)射能量聚集區(qū)，進(jìn)一步分析壓裂裂縫擴(kuò)展的能量耗散空間演化規(guī)律。

對應(yīng)于圖13中所劃分的壓裂裂縫擴(kuò)展4個階段，得到了如圖17所示的斷裂過程區(qū)及水力微裂縫帶內(nèi)能量耗散演化規(guī)律圖。在圖17中，令點(diǎn)的尺寸、透明度與聲發(fā)射能量呈正比，可更為清晰地識別聲發(fā)射能量聚集區(qū)，進(jìn)而確定泵注壓力峰值前的斷裂過程區(qū)以及峰后的水力微裂縫帶。圖17清晰地刻畫了斷裂過程區(qū)發(fā)育的整個過程，其長度與寬度逐步增長，完全發(fā)育的斷裂過程區(qū)長度與寬度分別為31 mm與12 mm。如圖17(d)所示，在峰后階段聲發(fā)射能量聚集區(qū)所刻畫的水力微裂縫帶尺寸為23 mm，小于完全發(fā)育的斷裂過程區(qū)尺寸，可推斷宏觀水力裂縫的擴(kuò)展速率是非均勻的，具體表現(xiàn)為水力裂縫于圖17(d)中x1軸正方向(壓裂裂縫優(yōu)勢延伸方向)在斷裂過程區(qū)中依次融合眾多微裂縫、形成宏觀裂縫面并先以相對較低的速率擴(kuò)展23 mm，然后完全失穩(wěn)高速延伸，以至于聲發(fā)射信號采集頻率不足以捕捉宏觀裂縫的失穩(wěn)擴(kuò)展，詳述如下?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展速率約為縱波在材料中傳播速率的0.3倍[54]，因此本試樣中裂縫完全失穩(wěn)擴(kuò)展速率可推斷約為800 m/s，由注液點(diǎn)擴(kuò)展至試樣邊界僅需約75 μs，而5 000 kHz的試樣采集頻率僅能采集375個數(shù)據(jù)點(diǎn)，不足一個撞擊信號的總時長。因此，圖17(d)中沿x1軸正方向23 mm以外的區(qū)域能量耗散較低，主要源于裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展速率過快，致使有限采樣頻率下難以捕捉充足聲發(fā)射信號。

如圖17所示，針對斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶，在其延伸方向(x1)與寬度方向(y1)分別以柱狀圖統(tǒng)計(jì)聲發(fā)射累積能量，得到了如下結(jié)果：① 在泵注壓力峰前斷裂過程區(qū)發(fā)育階段(圖17(a)～(c))，聲發(fā)射能量在寬度方向(y1)呈中部高兩側(cè)低的對稱分布模式，自起裂點(diǎn)沿?cái)U(kuò)展方向大致呈線性遞減分布。該結(jié)果表明條帶狀斷裂過程區(qū)在寬度方向能量耗散程度與損傷程度自對稱軸線至邊界遞減，條帶狀斷裂過程區(qū)對稱軸線為優(yōu)勢延伸路徑；在斷裂過程區(qū)擴(kuò)展方向，由微裂縫萌生及融合等所產(chǎn)生的累積能量耗散自初始起裂點(diǎn)沿?cái)U(kuò)展路徑近似線性遞減，揭示了斷裂過程區(qū)沿長度方向發(fā)育程度由高到低的空間演化特征。② 在泵注壓力峰值后的宏觀裂縫擴(kuò)展階段，水力微裂縫帶寬度方向的聲發(fā)射能量呈中高兩低的對稱分布模式，與斷裂過程區(qū)基本一致，可推斷水力微裂縫帶的對稱軸為宏觀壓裂裂縫的延伸軌跡，且在延伸過程中產(chǎn)出顯著的能量耗散；圖17(d)中x1軸正方向0～23 mm內(nèi)的聲發(fā)射能量相差不大，即相較圖17(a)～(c)所示的斷裂過程區(qū)沒有明顯的能量衰減，該現(xiàn)象可能源于兩個原因：① 盡管斷裂過程區(qū)發(fā)育程度自起裂點(diǎn)沿?cái)U(kuò)展方向遞減，在宏觀裂縫完全失穩(wěn)擴(kuò)展前，斷裂過程區(qū)內(nèi)不同位置均服從微裂縫融合為宏觀裂縫面所耗散的能量相差不大；② 斷裂過程區(qū)融合為宏觀壓裂裂縫的速度很快，在固定的采樣頻率與有限的監(jiān)測時間內(nèi)，采集系統(tǒng)一直連續(xù)不斷地捕捉信號，致使宏觀裂縫延伸方向能量耗散相差不大。

圖16 泵注壓力峰前不同剖切體內(nèi)聲發(fā)射能量空間分布Fig.16 Spatial distribution of AE energy in different sections before the peak pumping pressure

圖17 斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶尺寸及能量分布Fig.17 Size and AE energy distribution diagram of FPZ and HMB

將圖17所示的剖切面劃分為576個尺寸為5 mm×5 mm的網(wǎng)格，并分別累積網(wǎng)格內(nèi)的聲發(fā)射能量，可得到如圖18所示的聲發(fā)射能量場。該能量場分別在壓裂縫平面及其剖切面視角刻畫了斷裂過程區(qū)及水力微裂帶的“內(nèi)高外低”的能量耗散特性。在壓裂裂縫延伸的平面中，圖18更為清晰地刻畫了斷裂過程區(qū)由起裂點(diǎn)非等向逐步擴(kuò)大的發(fā)育特征，以及宏觀裂縫面兩側(cè)水力微裂縫帶均勻分布的能量耗散特性。最后，針對壓裂裂縫由斷裂過程區(qū)發(fā)育至宏觀裂縫面形成全過程，統(tǒng)計(jì)聲發(fā)射能量沿壓裂裂縫延伸方向的分布特征，如圖19所示，可知壓裂裂縫擴(kuò)展全過程的能量耗散由起裂點(diǎn)沿裂縫延伸方向呈顯著的線性衰減特征，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9。

圖18 斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶聲發(fā)射能量場Fig.18 AE energy field of FPZ and HMB

圖19 壓裂全過程聲發(fā)射能量沿壓裂裂縫主要延伸方向的分布特征Fig.19 AE energy distribution along the dominant HF extension direction during the hydraulic fracturing process

4.2 聲發(fā)射波速——震源周圍損傷演化評價(jià)

當(dāng)巖石因形成微裂縫等發(fā)生損傷時，將會阻礙聲波的傳播進(jìn)而造成波速降低，因此聲發(fā)射波速高低是評價(jià)聲發(fā)射事件源周圍損傷程度的指標(biāo)。在壓裂縫面剖切視角與壓裂縫平面視角將試樣區(qū)域劃分為576個尺寸為5 mm×5 mm的網(wǎng)格，計(jì)算每個網(wǎng)格內(nèi)的波速平均值，可得到如圖20所示的波速場。由圖20可知，在不同發(fā)育階段的斷裂過程區(qū)以及水力微裂縫帶內(nèi)，聲發(fā)射波速均呈現(xiàn)顯著的中間低周圍高的特征。

為量化波速在斷裂過程區(qū)及水力微裂縫帶內(nèi)的空間演化特征，在泵注壓力峰前65%～90%、峰前90%～95%、峰前95%～峰值(峰前99%)以及峰后階段，分別沿壓裂裂縫延伸方向(x1)與垂直壓裂裂縫延伸方向(y1)統(tǒng)計(jì)波速分布特征，可得到如圖21所示的波速分布模式。圖21表明，在斷裂過程區(qū)與微裂縫帶內(nèi)，自注液點(diǎn)(x1=0)向主要擴(kuò)展方向(x1正方向)波速遞增，而在垂直于裂縫延伸方向(y1方向，即斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶寬度方向)，波速呈中間低兩側(cè)高的分布模式。鑒于聲發(fā)射事件的低波速表征震源周圍損傷程度高的物理機(jī)制，上述結(jié)果表明，微裂縫帶內(nèi)損傷程度由起裂點(diǎn)向外側(cè)遞減，與圖17及圖18中聲發(fā)射能量分布所反映的損傷機(jī)制基本一致，符合斷裂過程區(qū)及水力微裂縫帶的發(fā)育規(guī)律。上述結(jié)果同時也間接證明了本文所采用的動態(tài)波速反演震源的有效性。

需特別指出的是，在圖20(d)所示的壓裂縫面剖切視圖中，試樣右上角的局部小區(qū)域(A)內(nèi)聲發(fā)射平均波速大于8 km/s，該異常高波速可推斷源于2個主要原因：① 宏觀縫面形成后在壓裂液作用下張開，會產(chǎn)生擠壓效應(yīng)作用于裂縫周邊巖樣，在裂縫張開擠壓與圍壓聯(lián)合作用下，靠近邊緣處巖石可推斷在壓應(yīng)力作用下被進(jìn)一步壓實(shí)，造成局部波速提升；② 采用伺服控制加載真三軸圍壓，在真實(shí)裂縫面形成階段，試樣變形致使加載壓頭的伺服動態(tài)調(diào)整加劇，壓頭動態(tài)擠壓試樣邊界易產(chǎn)生噪音，極有可能降低了波形質(zhì)量，造成試樣邊界處局部位置震源反演的波速升高。但總體而言，壓裂裂縫斷裂全過程的聲發(fā)射事件的波速低于4 km/s，如圖21所示。

圖20 斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶波速場Fig.20 Wave velocity field in FPZ and HMB

圖21 聲發(fā)射波速空間分布特征Fig.21 Spatial distribution characteristics of AE wave velocity

4.3 聲發(fā)射頻率——微裂縫區(qū)破裂尺寸演化評價(jià)

如前文所述，現(xiàn)有研究表明聲發(fā)射頻率與微破裂尺寸大致成反比[44]，因此聲發(fā)射頻率變化規(guī)律可為評價(jià)壓裂裂縫擴(kuò)展過程中微破裂尺寸演化提供依據(jù)。

同圖20所示的波速場確定方法相一致，通過統(tǒng)計(jì)576個尺寸為5 mm×5 mm網(wǎng)格內(nèi)的平均頻率得到壓裂裂縫擴(kuò)展的聲發(fā)射頻率場，如圖22所示。壓裂裂縫斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶內(nèi)的頻率分布隨機(jī)性強(qiáng)，分布規(guī)律不明顯。在泵注壓力峰前65%～90%、峰前90%～95%、峰前95%～峰值(峰前99%)以及峰后階段，分別沿壓裂裂縫延伸方向(x1)與垂直壓裂裂縫延伸方向(y1)確定聲發(fā)射頻率分布特征，可確定如圖23所示的斷裂過程區(qū)(泵注壓力峰前)與水力微裂帶(泵注壓力峰后)聲發(fā)射頻率分布趨勢?？傻脭嗔堰^程區(qū)與水力微裂縫帶在寬度方向與擴(kuò)展方向的頻率分布差異不大，均呈高頻低頻交錯分布的模式，基本介于100～800 kHz。

通過上述結(jié)果可推斷，在壓裂裂縫擴(kuò)展過程中，斷裂過程區(qū)發(fā)育具有萌生大量微裂縫且微裂縫不斷融合為較大尺寸裂縫的斷裂特征；而在泵注壓力峰后階段，壓裂裂縫的擴(kuò)展一方面融合大量微裂縫形成宏觀縫面，另一方面裂縫面張開也造成縫面兩側(cè)微裂縫繼續(xù)萌生進(jìn)而形成微裂縫帶。因此，斷裂過程區(qū)發(fā)育與宏觀裂縫的擴(kuò)展均服從大量微裂縫萌生與融合同時進(jìn)行的規(guī)律。

然而，需特別指出的是現(xiàn)有研究階段通過聲發(fā)射頻率刻畫微破裂尺寸存在局限性：只能定性地通過頻率時空演化評估巖石微破裂尺寸演化過程，即微裂縫萌生與融合過程，但無法確定聲發(fā)射頻率與微破裂(微裂縫)尺寸的定量相關(guān)關(guān)系。因此，通過聲發(fā)射頻率定量表征巖石微破裂尺寸演化仍需繼續(xù)深入研究。

圖22 斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶頻率場Fig.22 Frequency field in FPZ and HMB

圖23 聲發(fā)射頻率空間分布特征Fig.23 Spatial distribution characteristics of AE frequency

4.4 聲發(fā)射斷裂機(jī)制——拉張、剪切、壓縮(塌陷)型微破裂演化

根據(jù)前文式(4)所示的震源斷裂機(jī)制判別準(zhǔn)則，確定每個聲發(fā)射事件斷裂機(jī)制并以不同形狀表征，繪制聲發(fā)射斷裂機(jī)制分布(圖24)。由圖24可初步確定，斷裂過程區(qū)與水力微裂縫帶內(nèi)以拉張破裂源居多。

為了量化壓裂裂縫擴(kuò)展過程中的斷裂機(jī)制分布，分別統(tǒng)計(jì)了圖24中壓裂4個階段的拉張、剪切及壓縮(塌陷)源所占的比例(圖24)。如圖25所示，本文壓裂物理模擬試驗(yàn)所得到的壓裂裂縫擴(kuò)展以拉張微破裂為主，占比51.7%～65.3%，但隨著壓裂裂縫擴(kuò)展，壓裂裂縫斷裂過程區(qū)由開始發(fā)育至宏觀裂縫面兩側(cè)水力微裂帶形成，拉張型微破裂占比由65.3%降低至51.7%，剪切型微破裂占比由19.3%升高至23.4%，可推斷裂縫擴(kuò)展對裂縫周圍巖石壓剪效應(yīng)增強(qiáng)，致使剪切微破裂比例升高。此外，鑒于當(dāng)壓裂液在壓裂縫內(nèi)流出后，剪切型裂縫相較于拉張型裂縫可以在圍壓作用下保持張開狀態(tài)，壓裂所誘導(dǎo)的剪切型破裂越高，儲層增滲效果越好。因此，由圖25可推斷，壓裂裂縫擴(kuò)展提升的剪切型微破裂比例有利于進(jìn)一步提升儲層滲透性。

綜上，應(yīng)用本文提出的壓裂裂縫非線性斷裂的聲發(fā)射精細(xì)化監(jiān)測方法，提升了壓裂聲發(fā)射定位精度，在此基礎(chǔ)上確定了更為可靠的聲發(fā)射能量、波速、頻率與斷裂機(jī)制空間演化特征，利用聲發(fā)射特征參數(shù)與巖石非線性斷裂的相關(guān)關(guān)系，刻畫了壓裂裂縫斷裂過程區(qū)與微裂帶內(nèi)能量耗散、損傷程度、斷裂尺寸及拉張-剪切-壓縮(塌陷)斷裂機(jī)制等空間演化特征，提升了聲發(fā)射監(jiān)測壓裂裂縫非線性斷裂的精細(xì)化程度。本文所述的聲發(fā)射全波形多參量監(jiān)測分析方法可為現(xiàn)場微震監(jiān)測優(yōu)化提供參考，同時，該監(jiān)測分析方法所刻畫的壓裂裂縫非線性斷裂特征可支撐巖石壓裂非線性斷裂理論的完善。

圖24 壓裂裂縫斷裂機(jī)制的空間分布Fig.24 HF Fracture mechanism distribution

圖25 壓裂不同階段斷裂機(jī)制演化規(guī)律Fig.25 Evolution of fracture mechanism in different fracturing stages

5 結(jié) 論

(1)以聲發(fā)射刻畫壓裂裂縫非線性斷裂的物理機(jī)制為切入點(diǎn)，自主開發(fā)了基于原始波形的巖石斷裂聲發(fā)射分析程序，該程序具有在原始數(shù)據(jù)中拾取優(yōu)質(zhì)波形、優(yōu)化聲發(fā)射事件波形同步與起振時間計(jì)算的流程以及采用動波速與無約束優(yōu)化算法識別震源等功能，相比被廣泛應(yīng)用的聲發(fā)射分析商業(yè)軟件，提升了定位結(jié)果與縫面形態(tài)的一致性，降低了聲發(fā)射事件空間分布的離散性。在此基礎(chǔ)上可確定聲發(fā)射能量、波速、頻率與斷裂機(jī)制的空間展布特性，可用于刻畫壓裂裂縫斷裂過程區(qū)與微裂帶內(nèi)能量耗散、損傷程度、多尺寸斷裂及拉-剪-壓縮(塌陷)斷裂機(jī)制等空間演化特征，即實(shí)現(xiàn)壓裂裂縫非線性斷裂的聲發(fā)射多參量監(jiān)測。

(2)壓裂聲發(fā)射能量分析表明，在壓裂裂縫橫截面呈條帶狀的斷裂過程區(qū)具有非等向發(fā)育的特征，斷裂過程區(qū)是壓裂裂縫的優(yōu)勢擴(kuò)展路徑，宏觀裂縫面在斷裂過程區(qū)內(nèi)部形成并近乎失穩(wěn)擴(kuò)展，殘存的斷裂過程區(qū)構(gòu)成了宏觀裂縫兩側(cè)的微裂縫帶。耗散能在斷裂過程區(qū)與微裂縫帶寬度方向呈“中高兩低”的對稱分布，累積耗散能沿壓裂裂縫擴(kuò)展方向呈線性遞減分布，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9。

(3)壓裂聲發(fā)射波速分析表明，在斷裂過程區(qū)與微裂縫帶寬度與長度方向，波速均呈注液點(diǎn)低外側(cè)高的分布特征，表明微裂縫帶內(nèi)損傷程度由起裂點(diǎn)向外側(cè)遞減。

(4)斷裂過程區(qū)內(nèi)與宏觀裂縫面兩側(cè)微裂縫帶內(nèi)的聲發(fā)射頻率均呈高低頻交錯的隨機(jī)分布特征，表明斷裂過程區(qū)發(fā)育與宏觀裂縫的擴(kuò)展均服從微裂縫萌生與融合同時進(jìn)行的演化規(guī)律。

(5)基于聲發(fā)射震源機(jī)制分析，發(fā)現(xiàn)平面水力裂縫在不同的擴(kuò)展階段均以拉張斷裂為主，占比51.7%～65.3%，隨壓裂裂縫擴(kuò)展拉張裂縫占比由65.3%降低至51.7%，而剪切微破裂占比由19.3%升高至23.4%，可推斷裂縫擴(kuò)展對裂縫周圍巖石壓剪效應(yīng)增強(qiáng)，增滲性提高。

(6)本文提出的壓裂裂縫非線性斷裂的聲發(fā)射全波形多參量監(jiān)測方法可為優(yōu)化現(xiàn)場微震監(jiān)測提供參考，同時該監(jiān)測分析方法刻畫的巖石斷裂特征可支撐巖石壓裂非線性斷裂理論的完善。

致謝感謝中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院張廣清教授對本文研究內(nèi)容的指導(dǎo)。